В 1861 году П.И.Чайковский поступил в Музыкальные классы Русского музыкального общества (РМО) , а после преобразования их в 1862 году в Петербургскую консерваторию стал одним из студентов по классу композиции. Его учителями в консерватории были Ц.Чиарди, Г. Штиль, Н.Заремба, А.Г.Рубинштейн. Окончил он консерваторию в 1865 году по классам А. Г. Рубинштейна (оркестровка), высоко ценившего талант ученика, и Н. И. Зарембы (теория музыки) с большой серебряной медалью, написав кантату на оду Шиллера «К радости». Другие его консерваторские работы: увертюра к пьесе Островского «Гроза» и танцы сенных девушек, включенные впоследствии в оперу «Воевода» .
В 1866 году П.И. Чайковский был приглашен на должность профессора в открывающуюся Московскую консерваторию (во главе ее стоял Н. Г. Рубинштейн, брат директора Петербургской консерватории А. Г. Рубинштейна).
Любимый учитель П.И.Чайковского - А.Г.Рубинштейн. Однокурсник П.И.Чайковского по консерватории Г. А. Ларош писал в своих мемуарах: "...На Чайковского, наоборот, Рубинштейн произвел действие магическое. Он сохранил и тут полную независимость суждения, не без юмора отмечал недостаток логики и грамматики в его лекциях, не без огорчения видел массу бесцветных и малосодержательных сочинений, в которых Рубинштейн как бы топил память о немногих своих шедеврах, но ни странности профессора, ни более и более развивавшиеся пороки композитора не могли в душе Петра Ильича ослабить очарование, которое он испытывал от человека. Привязанность эта началась в нем едва ли не до личного знакомства, но чрезвычайно усилилась вследствие связи, которую породило между ними преподавание, и как ни далеко впоследствии разошлись жизненные пути двух русских музыкантов, сохранилась в Чайковском до самой его смерти, хотя интимных или просто приятельских отношений с Антоном Рубинштейном (вроде тех, как с братом его Николаем) у него никогда не было. В занимающую нас теперь эпоху это личное поклонение для самого Чайковского было нравственною выгодой. Оно облегчало ему тяжелый труд и окрыляло его силы. Видя необыкновенное рвение своего ученика и, быть может, судя о процессе его работы по той чудовищной легкости, с которой работал сам, Рубинштейн менее и менее стеснялся размерами задач. Но по мере того, как возрастали требования профессора, трудолюбие ученика становилось отчаяннее: одаренный здоровым юношеским сном и любивший выспаться, Петр Ильич высиживал напролет целые ночи и утром тащил только что оконченную, едва высохшую партитуру к своему ненасытному профессору. Сколько видно из фактов, непомерный этот труд не отразился на здоровье Чайковского никакими вредными последствиями"